EP1762841A1 - Verfahren und Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes mit einer unebenen Oberfläche - Google Patents

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EP1762841A1
EP1762841A1 EP06018167A EP06018167A EP1762841A1 EP 1762841 A1 EP1762841 A1 EP 1762841A1 EP 06018167 A EP06018167 A EP 06018167A EP 06018167 A EP06018167 A EP 06018167A EP 1762841 A1 EP1762841 A1 EP 1762841A1
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EP
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workpiece
transducer elements
ultrasonic
transducer
transducer element
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Eberhard Fischer
Rainer Meier
Friedrich Mohr
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IntelligeNDT Systems and Services GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for ultrasonic testing of a workpiece having an uneven surface.
  • FIG. 1 An example of such an uneven or wavy surface of a workpiece is shown in FIG.
  • two parts 2a and 2b of a workpiece 2 for example, an austenitic steel pipe and a nozzle are made a ferritic material welded to a weld 6 via a buffer weld 8 with each other.
  • unavoidable surface unevenness results in the region of the weld 6 and the buffer weld 8 a pronounced ripple.
  • This ripple or unevenness has the consequence that in this zone between the surface 13 of the workpiece 2 and an ultrasonic probe 10 with a flat, rigid coupling surface 12, an uneven gap 14 results, which influences the Einschall administrat in the workpiece 2 and difficult interpretation of the measurement results or fundamentally falsified.
  • the insonification conditions are additionally changed by the fact that the unevenness of the surface of the workpiece 2, which in the example shown also an offset between the two parts 2a and 2b is superimposed, the coupling surface 12 is no longer parallel to a mean straight surface contour 16 but under an unknown Inclination angle ⁇ is oriented to this.
  • the gap 14 is filled with a coupling medium, usually water. Reflections in the gap 14 between the coupling surface 12 and the surface 13 cause interference, which in the worst case can weaken the ultrasonic signal by up to about 14 dB. In addition, the ultrasonic wave is irregularly broken at the ripples of the workpiece surface and prevents the formation of a sound beam. This can lead to defects (reflectors) in the workpiece 2 being overlooked.
  • a coupling medium usually water.
  • the probes In order to "ride” in this way on the surface 13, the probes must be made very narrow. With such probes, however, result in sound fields with large opening angles, which are no longer suitable for testing a workpiece with a larger wall thickness, in the example from about 30 mm.
  • the ultrasonic probe contains for this purpose a plurality of arranged in a row, mechanically separate transducer elements, so that the array formed in this way can conform to the surface contour of the workpiece and has the same contour on its back. This back contour is measured with an optical measuring arrangement.
  • the individual transducer elements of the array are then driven with a delay time, which is corrected according to this contour, in order to set the sound angle and depth of focus correctly.
  • the separate structure of the individual transducer elements with wear layer, matching layer, piezoelectric oscillator, damping mass and electrical wiring and their mechanical suspension and water resistance is very expensive. In addition, such a probe has only a limited durability and robustness.
  • the invention is based on the object to provide a method for ultrasonic testing of a workpiece with an uneven surface, which does not have the aforementioned disadvantages.
  • the invention is based on the object to provide a device operating according to this method.
  • the stated object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1.
  • a plurality of rigid in a linear array arranged transducer elements which are controlled with a delay time predetermined for each transducer element with a time delay, is measured for a number of transducer elements, the duration of a transmitted from a single transducer element and reflected from the surface and received by this transducer element ultrasonic signal and used to correct the delay times, and then the transducer elements are driven with these corrected delay times.
  • the object is achieved according to the invention with a device having the features of claim 3, the advantages of which as well as the advantages of its subordinate claims correspond to the advantages given to the respective associated method claims.
  • the ultrasound test head 10 of a device contains a plurality n of transducer elements 20 1,... I,... N arranged rigidly in a linear array. Between the receiving and transmitting surfaces of the transducer elements 20 i of the array and the directly attached to the flat surface 13 of the workpiece 2 coupling surface 12 is located as a delay line a thin plane-parallel matching layer whose thickness is preferably equal to half the center wavelength ⁇ / 2 or a multiple thereof of the ultrasonic signal 21 used for the test, and its acoustic impedance as possible matched to the acoustic impedance of a fluid coupling medium used for coupling, usually water is.
  • This thin matching layer is not shown in the figure for reasons of clarity.
  • the transducer elements 20 1 to 20 n are controlled by a control and evaluation device 22 with a predetermined delay time t 1 to t n for each transducer element 20 1 to 20 n , in this way the insonification angle ⁇ and the position of the focus F in the Set workpiece 2 coupled ultrasonic signal 21.
  • a defect in the region of the focus F which leads to an echo signal which is received by the transducer elements 20 1 to 20 n . Due to the known insonification angle ⁇ and the measured transit time of the echo signal, the defect in the workpiece 2 can be localized.
  • the delay time t 1 to t n in ⁇ s for the individual converter elements 20 1 to 20 n shows the delay time t 1 to t n in ⁇ s for the individual converter elements 20 1 to 20 n , wherein in the example 10 converter elements 20 1 to 20 10 are provided.
  • the figure can now be seen that the delay times t i increase in a workpiece with a flat surface between the first transducer element 20 1 and the transducer elements 20 i with increasing distance of the transducer element 20 i from the first transducer element 20 1 .
  • only a non-zero insonification angle ⁇ is generated without focusing, so that the delay times t i lie on a straight line, and thus the difference in the delay time between respectively adjacent transducer elements 20 i and 20 i ⁇ 1 is constant. If an additional electronic focusing is performed, the result is a curved curve.
  • FIG. 3 now shows two test situations in which the ultrasonic test head 10 is above the workpiece 2 in one area with flat surface 13a (solid surface contour) and in a region with concavely curved surface 13b (dashed surface contour).
  • the distance d between a receiving or transmitting surface 33 of the transducer elements 20 i and the plane surface 13 a of the workpiece 2 that practically coincides with the coupling surface 12 is exaggerated by a matching layer 32.
  • the converter elements 20 1 to 20 n are now successively activated in a mode in which they operate in each case in the pulse-echo mode.
  • the transducer element 20 1 is driven, and the ultrasonic waves propagate with a large opening angle to the workpiece 2 toward transmitted by this transducer element 20. 1
  • the ultrasonic waves are reflected and generate an entrance echo signal. From the transducer element 20 1 , only those reflected ultrasonic waves are essentially received as an input echo signal, which impinge perpendicular to the surface 13 a, ie at the point R a1 .
  • This allows the duration of this respectivelyssechosignales, ie reflected from the surface 13 a and received by the transducer element 20 1 ultrasonic signal is measured and converted into a distance that is equal to the distance d between receiving and transmitting surface 33 and surface 13 a in this case. If the actual surface contour of the workpiece 2 in the test position is unknown, the point R a1 of the surface of the workpiece 2, from which the received echo signals emanate, could also be on a circular arc 30a 1 , which is shown in phantom in the figure.
  • the input echo signal reaches each transducer element 20 1 to 20 n at the same transit time, which it takes to travel twice the distance d between the transmitting or receiving surface 33 of the transducer elements 20 1 to 20 n and surface 13a.
  • a dashed line now shows a situation which results when there is a concavely curved surface 13b.
  • the transducer element 20 1 receives an input echo signal for an ultrasound wave emitted perpendicular to the transmission surface from the point R b1 .
  • the entrance echo signals come from points that lie on the circular arc 30b 1 .
  • the transducer element 20 n-1 now receives the input echo signal from a point R b (n-1) of the surface 13 b , which is not in the direction of the normal of the transducer element 20 n-1 .
  • the entrance echo signals may be from points located on the arc 30b n-1 .
  • FIG. 5 illustrates an ultrasound test head 10 in which, instead of a plane-parallel matching layer, as exaggeratedly illustrated in FIG. 4, a wedge-shaped flow path or matching layer 32 is provided between the receiving or receiving layer. Transmitting surface 33 and the coupling surface 12 is provided in order to achieve already without time delays of the transducer elements 20 1 to 20 n a different from 0 ° insonification angle.
  • Figure 5 now shows a situation as it results when using a test head shown in Figure 4 on a flat surface.
  • the distance d of the surface of the receiving or transmitting surface is plotted against the longitudinal extent x of the array.
  • the array is arranged on a wedge-shaped matching layer with a wedge angle of 28 °, with which it sits directly on the flat surface of the workpiece.
  • the position of the receiving or transmitting surface of the transducer elements is indicated by the line a.
  • each transducer element receives an input echo signal to which a certain distance can be assigned, whereby it is not clear from which direction the input echo signal was received. Therefore, an arc is associated with each transducer element in the diagram representing possible positions of the point of the surface from which the input echo signals are received.
  • the predetermined insonification angle ⁇ can be set correctly even with a wavy surface 13 of the workpiece 2, as shown in FIG.
  • This figure is now also apparent that the coupling surface 12 of the ultrasonic probe 10 is inclined by the inclination angle ⁇ against the average surface contour 16. This inclination angle ⁇ is also detected and taken into account in the correction of the delay times.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes (2) mit einer unebenen Oberfläche (13, 13b) mit einem an das Werkstück (2) akustisch angekoppelten Ultraschallprüfkopf (10), der eine Mehrzahl von starr in einem linearen Array angeordneten Wandlerelementen (201 bis 20n) enthält, die mit einer für jedes Wandlerelement (201 bis 20n) vorgegebenen verzögerungszeit zeitverzögert ansteuerbar sind, wird für eine Anzahl der Wandlerelemente (201 bis 20n) die Laufzeit eines von einem einzelnen Wandlerelement (201 bis 20n) gesendeten und von der Oberfläche (13) reflektierten und von diesem Wandlerelement(201 bis 20n) empfangenen Ultraschallsignales gemessen und zu einer Korrektur der Verzögerungszeiten herangezogen, und es werden anschließend die Wandlerelemente (201 bis 20n) mit diesen korrigierten Verzögerungszeiten angesteuert.

Description

  • Verfahren und Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes mit einer unebenen Oberfläche
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes mit einer unebenen Oberfläche.
  • Insbesondere im Bereich von Schweißnähten weisen Werkstücke an Wurzeln und Decklage eine unebene Oberfläche auf, die in aller Regel von Hand geschliffen wird. Trotz einer solchen Handbeschleifung werden dabei ebene Flächen nicht erreicht. Bei Verschweißungen von Rohren aus nicht rostendem Stahl kommt es außerdem zu einem starken Einzug durch Schrumpfen beim Abkühlen, der zusätzliche Unebenheiten verursacht. Schweißverbindungen in Rohrleitungssystemen von Kernkraftwerken weisen außerdem am Rohrinnendurchmesser Andrehungen zur Anpassung der Innendruchmesser und Übergangsschrägen zum Ursprungsdurchmesser, Plattierungen an ferritischen Rohrleitungen, Pufferschweißungen auf das ferritische Material zum Anschweißen an austenitische Komponenten sowie Übergangsschrägen für Durchmessererweiterung an Stutzen auf. Dies alles bewirkt, dass die zur Prüfung einer solchen Schweißnaht eingesetzten Ultraschallprüfsensoren sowohl bei der Prüfung von innen als auch von außen auf unebenen, unregelmäßig welligen Werkstückoberflächen aufgesetzt und bewegt werden müssen. Ein Beispiel für eine solche unebene oder wellige Oberfläche eines Werkstückes ist in Figur 9 wiedergegeben. Gemäß dieser Figur sind zwei Teile 2a und 2b eines Werkstück 2, beispielsweise eine Rohrleitung aus einem austenitischen Stahl und ein Stutzen aus einem ferritischem Material, an einer Schweißnaht 6 über eine Pufferschweißung 8 miteinander verschweißt. Neben unvermeidbaren Oberflächenunebenheiten ergibt sich im Bereich der Schweißnaht 6 und der Pufferschweißung 8 eine ausgeprägte Welligkeit. Diese Welligkeit oder Unebenheit hat zur Folge, dass sich in dieser Zone zwischen der Oberfläche 13 des Werkstückes 2 und einem Ultraschallprüfkopf 10 mit ebener, starrer Koppelfläche 12 ein ungleichmäßiger Spalt 14 ergibt, der die Einschallbedingungen in das Werkstück 2 beeinflusst und eine Interpretation der Messergebnisse erschwert oder diese grundsätzlich verfälscht. Die Einschallbedingungen werden zusätzlich dadurch geändert, dass durch die Unebenheit der Oberfläche des Werkstückes 2, der im dargestellten Beispiel auch ein Versatz zwischen den beiden Teilen 2a und 2b überlagert ist, die Koppelfläche 12 nicht mehr parallel zu einer mittleren geradlinigen Oberflächenkontur 16 sondern unter einem unbekannten Neigungswinkel α zu dieser orientiert ist.
  • Der Spalt 14 ist mit einem Koppelmedium, in der Regel Wasser gefüllt. Durch Reflexionen im Spalt 14 zwischen Koppelfläche 12 und Oberfläche 13 werden Interferenzen verursacht, die im ungünstigen Fall das Ultraschallsignal um bis zu etwa 14dB schwächen können. Darüber hinaus wird an den Welligkeiten der Werkstückoberfläche der Ultraschallstrahl unregelmäßig gebrochen und die Ausbildung eines Schallbündels verhindert. Dies kann dazu führen, dass Fehlstellen (Reflektoren) im Werkstück 2 übersehen werden.
  • Um die mit dieser Unebenheit oder Welligkeit einhergehenden Probleme zu lösen, wurde versucht, die Prüfung von Prüfpositionen aus durchzuführen, an denen die Oberfläche 13 des Werkstückes 2 eben ist, d. h. in denen der Prüfkopf 10 möglichst flächig auf der Oberfläche 13 aufsitzt. Mit anderen Worten: Der Prüfkopf 10 wurde versetzt von der Schweißnaht 6 aufgesetzt. Eine solche Möglichkeit ist aber für eine Vielzahl von Anwendungsfällen auf Grund der vorstehend erläuterten Randbedingungen nicht praktikabel. Alternativ hierzu werden auch Prüfköpfe eingesetzt, die in einer Richtung parallel zur Welligkeit - im Beispiel der Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene - schmal sind, so dass sie beim Bewegen des Prüfkopfes über die Schweißnaht der Kontur der Welle folgen können, so dass ein ausgeprägter, unregelmäßig geformter Koppelspalt 14, wie er in der Figur 9 dargestellt ist, nicht entsteht. Um in dieser Weise auf der Oberfläche 13 "reiten" zu können, müssen die Prüfköpfe sehr schmal ausgeführt werden. Mit solchen Prüfköpfen ergeben sich aber Schallfelder mit großen Öffnungswinkeln, die zur Prüfung eines Werkstückes mit größerer Wanddicke, im Beispiel ab etwa 30 mm, nicht mehr geeignet sind.
  • Aus der Publikation S. Mahaut et al., Pipe Inspection using UT Smart flexible Transducer, Technical Paper, 8th ECNDT Barcelona 2002, ist ein Ultraschallprüfkopf bekannt, dessen Koppelfläche flexibel ist und sich an die Oberflächenkontur des Werkstückes anpassen kann. Der Ultraschallprüfkopf enthält hierzu eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten, mechanisch voneinander getrennten Wandlerelementen, so dass sich das auf diese Weise gebildete Array an die Oberflächenkontur des Werkstückes anschmiegen kann und auf seiner Rückseite dieselbe Kontur aufweist. Diese rückseitige Kontur wird mit einer optischen Messanordnung vermessen. Die einzelnen Wandlerelemente des Arrays werden dann mit einer Verzögerungszeit angesteuert, die entsprechend dieser Kontur korrigiert ist, um auf diese Weise Einschallwinkel und Fokustiefe korrekt einzustellen. Der getrennte Aufbau der einzelnen Wandlerelemente mit Verschleißschicht, Anpassschicht, Piezoschwinger, Dämpfungsmasse und elektrischer Verdrahtung sowie deren mechanische Aufhängung und Wasserdichtheit ist jedoch sehr aufwendig. Außerdem weist ein solcher Prüfkopf nur eine begrenzte Haltbarkeit und Robustheit auf.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes mit einer unebenen Oberfläche anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung anzugeben.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes mit einer unebenen Oberfläche mit einem an das Werkstück akustisch angekoppelten Ultraschallprüfkopf, der eine Mehrzahl von starr in einem linearen Array angeordneten Wandlerelementen enthält, die mit einer für jedes Wandlerelement vorgegebenen Verzögerungszeit zeitverzögert ansteuerbar sind, wird für eine Anzahl der Wandlerelemente die Laufzeit eines von einem einzelnen Wandlerelement gesendeten und von der Oberfläche reflektierten und von diesem Wandlerelement empfangenen Ultraschallsignales gemessen und zu einer Korrektur der Verzögerungszeiten herangezogen, und es werden anschließend die Wandlerelemente mit diesen korrigierten Verzögerungszeiten angesteuert. Durch diese Maßnahmen ist bei einfachem und robustem Aufbau des Ultraschallprüfkopfes eine Prüfung welliger Werkstückoberflächen möglich.
  • Wenn außerdem ein Neigungswinkel des Ultraschallprüfkopfes gegen eine mittlere geradlinige Oberflächenkontur des Werkstückes gemessen und bei der Ermittlung der korrigierten Verzögerungszeiten berücksichtigt wird, können durch eine Welligkeit der Oberfläche des Werkstücks hervorgerufene Schräglagen des Ultraschallprüfkopfes erkannt und durch entsprechend korrigierte Ansteuerung der Wandlerelemente kompensiert werden.
  • Hinsichtlich der Einrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 3, dessen Vorteile ebenso wie die Vorteile der ihm untergeordneten Patentansprüche den zu den jeweils zugehörigen Verfahrensansprüchen angegebenen Vorteilen entsprechen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
    • Figur 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem in einer Prüfposition auf einem ebenen Werkstück aufgesetzten Ultraschallprüfkopf, der ein lineares Array aus einer Mehrzahl von Wandlerelementen enthält,
    • Figur 2 ein Diagramm, in dem die Zeitverzögerung zwischen den Wandlerelementen des Arrays gegen die Position der Wandlerelemente im Array aufgetragen ist,
    • Figur 3 ein Prinzipbild zum Veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • Figur 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Ultraschallprüfkopfes gemäß der Erfindung ebenfalls in einem schematischen Prinzipbild,
    • Figuren 5 und 6 jeweils ein Diagramm, in dem die mit den Wandlerelementen des Arrays für unterschiedliche Oberflächenkonturen gewonnenen Informationen über den Abstand zwischen Wandlerelement und Oberfläche des Werkstückes veranschaulicht ist,
    • Figur 7 die Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem in einem unebenen Bereich des Werkstückes aufgesetzten Ultraschallprüfkopf,
    • Figur 8 ein Diagramm, in dem die korrigierte Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Wandlerelementen des Arrays gegen die Position der Wandlerelemente für die in Figur 7 gezeigte Prüfsituation aufgetragen ist,
    • Figur 9 ein Werkstück mit einer unebenen Oberfläche mit einem im Bereich einer Schweißnaht aufgesetzten Prüfkopf in einem schematischen Längsschnitt.
  • Gemäß Figur 1 enthält der Ultraschallprüfkopf 10 einer Einrichtung gemäß der Erfindung eine Mehrzahl n von starr in einem linearen Array angeordneten Wandlerelementen 201,...i,...n. Zwischen den Empfangs- bzw. Sendeflächen der Wandlerelemente 20i des Arrays und der unmittelbar auf die ebene Oberfläche 13 des Werkstückes 2 aufgesetzten Koppelfläche 12 befindet sich als Vorlaufstrecke eine dünne planparallele Anpassschicht, deren Dicke vorzugsweise gleich der halben Mittenwellenlänge λ/2 oder ein Mehrfaches davon des zur Prüfung verwendeten Ultraschallsignals 21 ist, und deren akustische Impedanz möglichst an die akustische Impedanz eines zur Kopplung verwendeten fluiden Koppelmediums, in der Regel Wasser, angeglichen ist. Diese dünne Anpassschicht ist in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Die Wandlerelemente 201 bis 20n werden von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 mit einer für jedes Wandlerelement 201 bis 20n vorgegebenen Verzögerungszeit t1 bis tn angesteuert, um auf diese Weise den Einschallwinkel β und die Lage des Fokus F eines in das Werkstück 2 eingekoppelten Ultraschallsignales 21 einzustellen. Im dargestellten Beispiel befindet sich im Bereich des Fokus F eine Fehlstelle, die zu einem Echosignal führt, das von den Wandlerelementen 201 bis 20n empfangen wird. Auf Grund des bekannten Einschallwinkels β und der gemessenen Laufzeit des Echosignals kann die Fehlstelle im Werkstück 2 lokalisiert werden.
  • In Figur 2 ist nun für die einzelnen Wandlerelemente 201 bis 20n die Verzögerungszeit t1 bis tn in µs angegeben, wobei im Beispiel 10 Wandlerelemente 201 bis 2010 vorgesehen sind. Der Figur ist nun zu entnehmen, dass die Verzögerungszeiten ti bei einem Werkstück mit ebener Oberfläche zwischen dem ersten Wandlerelement 201 und den Wandlerelementen 20i mit wachsendem Abstand des Wandlerelementes 20i vom ersten Wandlerelement 201 zunehmen. Im dargestellten Beispiel wird ohne Fokussierung nur ein von Null verschiedener Einschallwinkel β erzeugt, so dass die Verzögerungszeiten ti auf einer Geraden liegen, und somit der Unterschied der Verzögerungszeit zwischen jeweils benachbarten Wandlerelementen 20i und 20i±1 konstant ist. Wird zusätzlich eine elektronische Fokussierung durchgeführt, ergibt sich ein gekrümmter Kurvenverlauf.
  • Figur 3 zeigt nun zwei Prüfsituationen, in denen sich der Ultraschallprüfkopf 10 über dem Werkstück 2 in einem Bereich mit ebener Oberfläche 13a (durchgezogene Oberflächenkontur) und in einem Bereich mit konkav gekrümmter Oberfläche 13b (gestrichelte Oberflächenkontur) befindet. Zur besseren Veranschaulichung ist der sich durch eine Anpassschicht 32 ergebende Abstand d zwischen einer Empfangs- bzw. Sendefläche 33 der Wandlerelemente 20i und der mit der Koppelfläche 12 praktisch zusammenfallenden ebenen Oberfläche 13a des Werkstückes 2 übertrieben dargestellt.
  • Mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 werden nun zeitlich nacheinander die Wandlerelemente 201 bis 20n in einer Betriebsart angesteuert, in der diese jeweils für sich genommen im Impuls-Echo-Betrieb arbeiten. Mit anderen Worten: Zunächst wird das Wandlerelement 201 angesteuert, und die von diesem Wandlerelement 201 gesendeten Ultraschallwellen breiten sich mit einem großen Öffnungswinkel zum Werkstück 2 hin aus. An der Oberfläche 13a des Werkstückes 2 werden die Ultraschallwellen reflektiert und erzeugen ein Eintrittsechosignal. Vom Wandlerelement 201 werden im wesentlichen nur diejenigen reflektierten Ultraschallwellen als Eintrittsechosignal empfangen, die senkrecht auf die Oberfläche 13a, d. h. im Punkt Ra1 auftreffen. Die Laufzeit dieses Eintrittsechosignales, d. h. des von der Oberfläche 13 a reflektierten und vom Wandlerelement 201 empfangenen Ultraschallsignales wird gemessen und in eine Wegstrecke umgerechnet, die in diesem Fall gleich dem Abstand d zwischen Empfangs- bzw. Sendefläche 33 und Oberfläche 13a ist. Wenn die tatsächliche Oberflächenkontur des Werkstückes 2 in der Prüfposition unbekannt ist, könnte sich der Punkt Ra1 der Oberfläche des Werkstückes 2, von dem aus die empfangenen Echosignale ausgehen, auch auf einem Kreisbogen 30a1 befinden, der in der Figur strichpunktiert dargestellt ist.
  • Anschließend erfolgt eine Ansteuerung des Wandlerelementes 202 und die Laufzeit der vom Wandlerelement 202 empfangenen Echosignale wird ebenfalls gemessen. Auf diese Weise wird jedes der Wandlerelemente 201 bis 20n angesteuert. In der Figur ist noch die Situation für das Wandlerelement 20n-1 eingezeichnet, für das sich im für die ebene Oberfläche 13a dieselben Verhältnisse ergeben wie für das Wandlerelement 201 (Reflexion des Eintrittsechosignales in Ra(n-1), das bei Unkenntnis der Kontur auf dem Kreisbogen 30an-1 liegen kann.
  • Im Falle der ebenen Oberfläche 13a erreicht das Eintrittsechosignal jedes Wandlerelement 201 bis 20n nach derselben Laufzeit, die es benötigt, um den doppelten Abstand d zwischen Sende- bzw. Empfangsfläche 33 der Wandlerelemente 201 bis 20n und Oberfläche 13a zurückzulegen.
  • Gestrichelt ist nun eine Situation eingezeichnet, die sich ergibt, wenn eine konkav gekrümmte Oberfläche 13b vorliegt. Der Figur ist zu entnehmen, dass in diesem Fall das Wandlerelement 201 ein Eintrittsechosignal für eine senkrecht zur Sendefläche emittierte Ultraschallwelle vom Punkt Rb1 erhält. Auch hier können, eine Unkenntnis der tatsächlichen Oberflächenkontur unterstellt, die Eintrittsechosignale jedoch von Punkten stammen, die auf dem Kreisbogen 30b1 liegen. Im dargestellten Beispiel empfängt nun das Wandlerelement 20n-1 das Eintrittsechosignal von einem Punkt Rb(n-1) der Oberfläche 13b, der nicht in Richtung der Normalen des Wandlerelementes 20n-1 liegt. Auch hier können die Eintrittsechosignale jedoch von Punkten stammen, die auf dem Kreisbogen 30bn-1 liegen.
  • In Figur 5 ist ein Ultraschallprüfkopf 10 veranschaulicht, bei dem anstelle einer planparallelen Anpassschicht, wie sie in Figur 4 übertrieben veranschaulicht ist, eine keilförmige Vorlaufstrecke oder Anpassschicht 32 zwischen der Empfangs-bzw. Sendefläche 33 und der Koppelfläche 12 vorgesehen ist, um bereits ohne Zeitverzögerungen der Wandlerelemente 201 bis 20n einen von 0° verschiedenen Einschallwinkel zu erzielen.
  • Figur 5 zeigt nun eine Situation wie sie sich bei Verwendung eines in Figur 4 dargestellten Prüfkopfes auf einer ebenen Oberfläche ergibt. In dieser Figur ist die mit den einzelnen Ultraschallwandlern mit Hilfe der Laufzeit des Echosignals, der Schallgeschwindigkeit und geometrischen Gestalt der Anpassschicht und der Schallgeschwindigkeit des Koppelmediums jeweils ermittelte Entfernung d der Oberfläche von der Empfangs- bzw. Sendefläche aufgetragen gegen die Längsausdehnung x des Arrays. Im Beispiel ist das Array auf einer keilförmigen Anpassschicht mit einem Keilwinkel von 28° angeordnet, mit dem es unmittelbar auf der ebenen Oberfläche des Werkstückes aufsitzt. In der Figur ist die Lage der Empfangs- bzw. Sendefläche der Wandlerelemente durch die Linie a angegeben. Der Figur ist nun zu entnehmen, dass jedes Wandlerelement ein Eintrittsechosignal empfängt, dem eine bestimmte Entfernung zugeordnet werden kann, wobei nicht feststeht, aus welcher Richtung das Eintrittsechosignal empfangen worden ist. Deshalb ist jedem Wandlerelement im Diagramm ein Bogen zugeordnet, der mögliche Positionen des Punktes der Oberfläche wiedergibt, von dem die Eintrittsechosignale empfangen werden. So ist dem Wandlerelement, das sich etwa in der Position x = 10 mm befindet, ein Bogen 30 zugeordnet, der in der Figur fett hervorgehoben ist. Das Wandlerelement in der Position x = 10 mm erfasst zwar den Abstand d zur Oberfläche des Werkstückes, der im dargestellten Beispiel etwa 9mm beträgt, nicht jedoch dessen Richtung. Werden nun die Messungen für alle Wandlerelemente in der gleichen Weise durchgeführt, so ist anhand des Diagramms eine Einhüllende 34 entlang der Nulllinie zu erkennen, die die Oberflächenkontur des Werkstückes wiedergibt, bei dem es sich in diesem Fall um ein ebenes Werkstück handelt.
  • Anders stellt sich die Situation in Figur 6 dar, in der ebenfalls der mögliche Abstand zwischen dem Werkstück und der Koppelfläche des Ultraschallprüfkopfes gegen die Position der Wandlerelemente im Ultraschallprüfkopf aufgetragen ist. Deutlich ist zu erkennen, dass sich in diesem Fall eine Einhüllende 34 ergibt, die ebenfalls die Oberflächenkontur des Werkstückes im Bereich der Koppelfläche wiedergibt und signifikant von einer ebenen Oberfläche abweicht.
  • Diese Information wird nun benutzt, um die Zeitverzögerung für die einzelnen Wandlerelemente mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 an die unterschiedliche Form des Koppelspaltes anzupassen und den korrekten Einschallwinkel β zur mittleren Oberflächenkontur 16 einzustellen. Der Fig. 6 ist dabei zu entnehmen, dass die Oberfläche des Werkstücks vom Wandlerelement 201 etwa um 0,6 mm weiter entfernt ist als vom Wandlerelement 207. Bei vorgegebenem Einschallwinkel und bekannten Schallgeschwindigkeiten von Werkstück und Koppelmedium sowie bekannter Schallgeschwindigkeit und Gestalt einer gegebenenfalls vorhandenen Anpassschicht lässt sich dann rechnerisch aus dieser Abstandsdifferenz, die rechnerisch aus der zwischen den Wandlerelementen 201 und 207 gemessenen Laufzeitdifferenz ermittelt worden ist, und aus dem aus der Einhüllenden 34 sich ergebenden Neigungswinkel der Oberfläche des Werkstückes die erforderliche Zeitverzögerung zwischen den Wandlerelementen 201 und 207 berechnen.
  • Auf diese Weise kann der vorgegebene Einschallwinkel β auch bei welliger Oberfläche 13 des Werkstücks 2 korrekt eingestellt werden, wie dies in Figur 7 dargestellt ist. Dieser Figur ist nun außerdem zu entnehmen, dass die Koppelfläche 12 des Ultraschallprüfkopfes 10 um den Neigungswinkel α gegen die mittlere Oberflächenkontur 16 geneigt ist. Dieser Neigungswinkel α wird ebenfalls erfasst und bei der Korrektur der Verzögerungszeiten berücksichtigt.
  • In Figur 8 ist sind nun für das in Figur 7 dargestellte Beispiel für die einzelnen Wandlerelemente 201 bis 2010 die korrigierten Verzögerungszeiten t1k bis t10k in µs angegeben. Der Figur ist zu entnehmen, dass der Verlauf der korrigierten Verzögerungszeiten t1k bis t10k signifikant vom linearen Verlauf gemäß Figur 3 abweicht.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes (2) mit einer unebenen Oberfläche (13, 13b) mit einem an das Werkstück (2) akustisch angekoppelten Ultraschallprüfkopf (10), der eine Mehrzahl von starr in einem linearen Array angeordneten Wandlerelementen (201 bis 20n) enthält, die mit einer für jedes Wandlerelement (201 bis 20n) vorgegebenen Verzögerungszeit (t1 bis tn) zeitverzögert ansteuerbar sind, bei dem für eine Anzahl der Wandlerelemente (201 bis 20n) die Laufzeit eines von einem einzelnen Wandlerelement (201 bis 20n) gesendeten und von der Oberfläche (13, 13b) reflektierten und von diesem Wandlerelement (201 bis 20n) empfangenen Ultraschallsignales gemessen und zu einer Korrektur der Verzögerungszeiten (t1 bis tn) herangezogen wird, und bei dem anschließend die Wandlerelemente (201 bis 20n) mit diesen korrigierten Verzögerungszeiten (t1k bis tnk) angesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Neigungswinkel (α) des Ultraschallprüfkopfes (10) gegen eine mittlere geradlinige Oberflächenkontur (16) des Werkstückes (2) gemessen und bei der Ermittlung der korrigierten Verzögerungszeiten (t1k bis tnk) berücksichtigt wird.
  3. Einrichtung zur Ultraschallprüfung eines Werkstückes (2) mit einer unebenen Oberfläche (13, 13b) mit einem an das Werkstück (2) akustisch angekoppelten Ultraschallprüfkopf (10), der eine Mehrzahl von starr in einem linearen Array angeordneten Wandlerelementen (20i bis 20n) enthält, und mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (22) zum zeitverzögerten Ansteuern der Wandlerelemente (201 bis 20n) mit einer für jedes Wandlerelement (201 bis 20n) vorgegebenen Verzögerungszeit (t1 bis tn) und zum Ansteuern einzelner Wandlerelemente (201 bis 20n) sowie zur Korrektur der Verzögerungszeiten (t1 bis tn) durch Auswerten der Laufzeit des von einem Wandlerelement (201 bis 20n) empfangenen Ultraschallsignales.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, mit einer Messeinrichtung zum Messen eines Neigungswinkels (α) des Ultraschallprüfkopfes (10) gegen eine mittlere geradlinige Oberflächenkontur (16) des Werkstückes (2).
  5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der eine im Ultraschallprüfkopf (10) zwischen Koppelfläche (12) und Wandlerelementen (201 bis 20n) befindliche Anpassschicht (32) vorgesehen ist, deren akustische Impedanz an die akustische Impedanz eines zur Ankopplung des Ultraschallprüfkopfes (10) an das Werkstück (2) verwendeten Koppelfluids angepasst ist.
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